Bộ tách sóng quang: Mạch, Hoạt động, Loại & Ứng dụng của nó

Bộ tách sóng quang là một thành phần thiết yếu trong bộ thu quang giúp chuyển đổi tín hiệu quang đến thành tín hiệu điện. Bộ tách sóng quang bán dẫn thường được gọi là điốt quang vì đây là loại bộ tách sóng quang chính được sử dụng trong quang học. hệ thống thông tin liên lạc do tốc độ phát hiện nhanh, hiệu quả phát hiện cao và kích thước nhỏ. Hiện tại, bộ tách sóng quang được sử dụng rộng rãi trong điện tử công nghiệp, truyền thông điện tử, y học & chăm sóc sức khỏe, thiết bị phân tích, ô tô & vận tải, v.v. Chúng còn được gọi là cảm biến quang và cảm biến ánh sáng. Vì vậy, bài viết này thảo luận về một cái nhìn tổng quan về một bộ tách sóng quang - làm việc với các ứng dụng.

Bộ tách sóng quang là gì?

Định nghĩa bộ tách sóng quang là; một thiết bị quang điện tử được sử dụng để phát hiện ánh sáng tới hoặc năng lượng quang để chuyển đổi nó thành tín hiệu điện được gọi là bộ tách sóng quang. Thông thường, tín hiệu o/p này tỷ lệ với công suất quang tới. Những cảm biến này thực sự cần thiết cho các triển khai khoa học khác nhau như kiểm soát quy trình, hệ thống thông tin liên lạc sợi quang, an toàn, cảm biến môi trường và cả trong các ứng dụng quốc phòng. Ví dụ về bộ tách sóng quang là phototransistors và điốt quang .

Bộ tách sóng quang hoạt động như thế nào?

Bộ tách sóng quang hoạt động đơn giản bằng cách phát hiện ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác hoặc các thiết bị có thể bằng cách nhận tín hiệu quang được truyền. Bộ tách sóng quang sử dụng chất bán dẫn hoạt động dựa trên sự tạo cặp electron-lỗ trống theo nguyên tắc bức xạ ánh sáng.

Khi một vật liệu bán dẫn được chiếu sáng thông qua các photon có năng lượng cao hoặc tương đương với năng lượng vùng cấm của nó, thì các photon bị hấp thụ sẽ khuyến khích các electron của dải hóa trị di chuyển vào dải dẫn, do đó để lại các lỗ trống trong dải hóa trị. Các electron trong dải dẫn hoạt động như các electron tự do (lỗ trống) có thể phân tán dưới sức mạnh của điện trường bên trong hoặc bên ngoài.

Các cặp electron-lỗ trống được tạo ra bằng hình ảnh do sự hấp thụ quang học có thể tái kết hợp và phát lại ánh sáng trừ khi chịu sự phân tách qua trung gian điện trường để làm tăng dòng quang, là một phần của các hạt mang điện tự do được tạo ra bằng hình ảnh nhận được tại các điện cực của sự sắp xếp bộ tách sóng quang. Cường độ quang điện ở bước sóng xác định tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng tới.

Đặc tính

Các thuộc tính của bộ tách sóng quang được thảo luận dưới đây.

Phản ứng quang phổ - Đó là phản hồi của bộ tách sóng quang dưới dạng hàm tần số photon.

Hiệu suất lượng tử - Số lượng hạt tải điện được tạo ra cho mỗi photon

Khả năng đáp ứng – Đó là dòng điện đầu ra được phân tách bằng tổng công suất của ánh sáng chiếu vào máy dò.

Công suất tương đương tiếng ồn – Đó là lượng năng lượng ánh sáng cần thiết để tạo ra tín hiệu có kích thước tương đương với tiếng ồn của thiết bị.

thám tử – Căn bậc hai của diện tích máy dò được phân tách bằng công suất tương đương tiếng ồn.

Lợi - Đó là dòng điện đầu ra của máy dò ảnh được chia cho dòng điện được tạo ra trực tiếp bởi các photon tới trên máy dò.

Hiện tại tối- Dòng điện chạy qua máy dò ngay cả khi thiếu ánh sáng.

Thời gian đáp ứng - Đó là thời gian cần thiết để một máy dò đi từ 10 – 90% sản lượng cuối cùng.

Phổ nhiễu – Dòng hoặc điện áp nhiễu nội tại là một hàm của tần số có thể được biểu thị ở dạng mật độ phổ nhiễu.

phi tuyến tính – Tính phi tuyến tính của bộ dò ảnh giới hạn đầu ra RF.

Các loại bộ tách sóng quang

Các bộ tách sóng quang được phân loại dựa trên cơ chế phát hiện ánh sáng như hiệu ứng quang điện hoặc quang phát xạ, hiệu ứng phân cực, hiệu ứng nhiệt, tương tác yếu hoặc hiệu ứng quang hóa. Các loại bộ tách sóng quang khác nhau chủ yếu bao gồm một bộ tách sóng quang, bộ tách sóng quang MSM, bộ bán dẫn quang, bộ dò quang dẫn, ống quang & Bộ nhân quang.

điốt quang

Đây là những thiết bị bán dẫn có cấu trúc tiếp giáp PIN hoặc PN, nơi ánh sáng được hấp thụ trong vùng suy giảm và tạo ra dòng quang điện. Các thiết bị này nhanh, tuyến tính cao, rất nhỏ gọn và tạo ra hiệu suất lượng tử cao, nghĩa là nó tạo ra gần như một electron cho mỗi photon tới và dải động cao. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về điốt quang .

Bộ tách sóng quang MSM

Bộ tách sóng quang MSM (Metal–semiconductor–metal) bao gồm hai Schottky địa chỉ liên lạc chứ không phải là một ngã ba PN . Các máy dò này có khả năng nhanh hơn so với các đi-ốt quang có băng thông lên tới hàng trăm GHz. Máy dò MSM cho phép máy dò có diện tích rất lớn giúp ghép nối dễ dàng với sợi quang mà không làm giảm băng thông.

bóng bán dẫn quang

Phototransistor là một loại photodiode sử dụng khuếch đại bên trong của dòng quang. Nhưng chúng không được sử dụng thường xuyên so với điốt quang. Chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện tín hiệu ánh sáng và thay đổi chúng thành tín hiệu điện kỹ thuật số. Các thành phần này được vận hành đơn giản thông qua ánh sáng chứ không phải dòng điện. Phototransistors có chi phí thấp và cung cấp lượng khuếch đại lớn, vì vậy chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về phototransistors .

Máy dò quang dẫn

Máy dò quang dẫn còn được gọi là điện trở quang, tế bào quang điện & điện trở phụ thuộc vào ánh sáng . Những máy dò này được chế tạo bằng một số chất bán dẫn như CdS (cadmium sulfide). Vì vậy, máy dò này bao gồm một vật liệu bán dẫn với hai điện cực kim loại được kết nối để phát hiện điện trở. So với đi-ốt quang, chúng không đắt tiền nhưng chúng khá chậm, không cực kỳ nhạy & thể hiện phản ứng phi tuyến tính. Ngoài ra, chúng có thể phản ứng với ánh sáng hồng ngoại bước sóng dài. Máy dò quang dẫn được chia thành các loại khác nhau dựa trên chức năng của các phản ứng quang phổ như dải bước sóng khả kiến, dải bước sóng cận hồng ngoại và dải bước sóng IR.

ống chụp ảnh

Các ống chứa đầy khí hoặc ống chân không được sử dụng làm bộ tách sóng quang được gọi là ống quang. Ống kính quang điện là một máy dò quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện bên ngoài hoặc hiệu ứng phát quang. Những ống này thường được hút chân không hoặc đôi khi chứa đầy khí ở áp suất thấp.

máy nhân quang

Bộ nhân quang là một loại ống quang thay đổi các photon tới thành tín hiệu điện. Những máy dò này sử dụng quy trình nhân electron để thu được độ nhạy tăng lên nhiều. Họ có một khu vực hoạt động lớn và tốc độ cao. Có nhiều loại bộ nhân quang khác nhau như bộ nhân quang ống, bộ nhân quang từ, bộ nhân quang tĩnh điện và bộ nhân quang silicon.

Sơ đồ mạch tách sóng quang

Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng bộ tách sóng quang được hiển thị bên dưới. Trong mạch này, điốt quang được sử dụng làm bộ tách sóng quang để phát hiện sự tồn tại hoặc không tồn tại của ánh sáng. Độ nhạy của cảm biến này có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách sử dụng cài đặt sẵn.

Các thành phần bắt buộc của mạch cảm biến ánh sáng này chủ yếu bao gồm điốt quang, đèn LED, vi mạch LM339 , Điện trở, Cài đặt sẵn, v.v. Kết nối mạch theo sơ đồ mạch bên dưới.

Đang làm việc

Đi-ốt quang được sử dụng làm bộ tách sóng quang để tạo ra dòng điện trong mạch khi ánh sáng chiếu vào nó. Trong mạch này, photodiode được sử dụng ở chế độ phân cực ngược thông qua điện trở R1. Vì vậy, điện trở R1 này không cho phép cung cấp quá nhiều dòng điện qua điốt quang trong trường hợp một lượng lớn ánh sáng chiếu vào điốt quang.

Khi không có ánh sáng nào chiếu vào điốt quang, thì nó dẫn đến điện thế cao ở chân 6 của bộ so sánh LM339 (đầu vào đảo ngược). Khi ánh sáng chiếu vào điốt này, thì nó cho phép dòng điện cung cấp khắp điốt và do đó điện áp sẽ giảm trên nó. Chân 7 (đầu vào không đảo) của bộ so sánh được kết nối với VR2 (biến trở) để đặt điện áp tham chiếu của bộ so sánh.

Ở đây, một bộ so sánh hoạt động khi đầu vào không đảo ngược của bộ so sánh cao so với đầu vào đảo ngược thì đầu ra của nó vẫn ở mức cao. Vì vậy, chân đầu ra của IC như chân 1 được kết nối với một đi-ốt phát quang. Tại đây, điện áp tham chiếu được đặt trong suốt giá trị đặt trước VR1 để tương ứng với ngưỡng chiếu sáng. Ở đầu ra, đèn LED sẽ BẬT khi ánh sáng chiếu vào điốt quang. Vì vậy, đầu vào đảo ngược giảm xuống giá trị thấp hơn so với giá trị tham chiếu được đặt ở đầu vào không đảo ngược. Vì vậy, đầu ra sẽ cung cấp độ lệch thuận cần thiết cho đi-ốt phát quang.

Bộ tách sóng quang so với Photodiode

Sự khác biệt giữa bộ tách sóng quang và điốt quang bao gồm những điều sau đây.

Hiệu suất lượng tử của bộ tách sóng quang

Hiệu suất lượng tử của bộ tách sóng quang có thể được định nghĩa là phần nhỏ của các photon tới được hấp thụ qua chất quang dẫn đến các electron được tạo ra được thu thập tại đầu cuối của bộ tách sóng.

Hiệu suất lượng tử có thể được biểu thị bằng 'η'

Hiệu suất lượng tử (η) = Các electron được tạo ra/Tổng số photon tới

Như vậy,

η = (Dòng điện/ Điện tích của một electron)/(Tổng công suất quang của photon tới/ Năng lượng photon)

Vì vậy, về mặt toán học, nó sẽ trở thành như

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Ưu điểm và nhược điểm

Những lợi thế của bộ tách sóng quang bao gồm những điều sau đây.

• Bộ tách sóng quang có kích thước nhỏ.
• Tốc độ phát hiện của nó là nhanh chóng.
• Hiệu quả phát hiện của nó là cao.
• Chúng tạo ra ít tiếng ồn hơn.
• Đây không phải là đắt tiền, nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ.
• Họ có một cuộc sống lâu dài.
• Chúng có hiệu suất lượng tử cao.
• Nó không yêu cầu điện áp cao.

Các nhược điểm của bộ tách sóng quang bao gồm những điều sau đây.

• Chúng có độ nhạy rất thấp.
• Họ không có lợi ích nội bộ.
• Thời gian đáp ứng rất chậm.
• Khu vực hoạt động của máy dò này là nhỏ.
• Thay đổi trong dòng điện là cực kỳ nhỏ, do đó có thể không đủ để điều khiển mạch.
• Nó đòi hỏi điện áp bù.

Ứng dụng của bộ tách sóng quang

Các ứng dụng của bộ tách sóng quang bao gồm những điều sau đây.

• Bộ tách sóng quang được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ cửa tự động trong siêu thị đến bộ điều khiển từ xa của TV trong nhà bạn.
• Đây là những thành phần quan trọng thiết yếu được sử dụng trong thông tin liên lạc quang học, an ninh, tầm nhìn ban đêm, hình ảnh video, hình ảnh y sinh, phát hiện chuyển động & cảm biến khí có khả năng thay đổi ánh sáng thành tín hiệu điện một cách chính xác.
• Chúng được sử dụng để đo công suất quang và quang thông
• Chúng chủ yếu được sử dụng trong các loại thiết kế kính hiển vi và cảm biến quang học khác nhau.
• Đây là những điều quan trọng đối với máy đo khoảng cách laser.
• Chúng thường được sử dụng trong đo lường tần số, truyền thông sợi quang, v.v.
• Bộ tách sóng quang trong trắc quang & phép đo phóng xạ được sử dụng để đo các thuộc tính khác nhau như công suất quang, cường độ quang, bức xạ & quang thông.
• Chúng được sử dụng để đo công suất quang trong máy quang phổ, thiết bị lưu trữ dữ liệu quang học, rào cản ánh sáng, bộ định hình chùm tia, kính hiển vi huỳnh quang, bộ tự tương quan, giao thoa kế và các loại cảm biến quang học khác nhau.
• Chúng được sử dụng cho LIDAR, máy đo khoảng cách laser, thiết bị nhìn đêm & thí nghiệm quang học lượng tử.
• Chúng được áp dụng trong đo lường tần số quang học, truyền thông sợi quang và cũng để phân loại nhiễu laser hoặc laser xung.
• Các mảng hai chiều với một số máy dò ảnh giống hệt nhau chủ yếu được sử dụng làm mảng mặt phẳng tiêu cự & thường xuyên cho các ứng dụng hình ảnh.

Bộ tách sóng quang được sử dụng để làm gì?

Bộ tách sóng quang được sử dụng để chuyển đổi năng lượng photon của ánh sáng thành tín hiệu điện.

Các đặc điểm của bộ tách sóng quang là gì?

Các đặc điểm của bộ tách sóng quang là độ nhạy sáng, đáp ứng quang phổ, hiệu suất lượng tử, nhiễu phân cực thuận, dòng điện tối, công suất nhiễu tương đương, đáp ứng thời gian, điện dung đầu cuối, tần số cắt và băng thông tần số.

Các yêu cầu của bộ tách sóng quang là gì?

Các yêu cầu của bộ tách sóng quang là; thời gian đáp ứng ngắn, ít tiếng ồn nhất, độ tin cậy, độ nhạy cao, đáp ứng tuyến tính trên một phạm vi cường độ ánh sáng rộng, điện áp phân cực thấp, chi phí thấp và tính ổn định của các đặc tính hiệu suất.

Những gì được sử dụng trong đặc điểm kỹ thuật của máy dò quang học?

Công suất nhiễu tương đương được sử dụng trong thông số kỹ thuật của máy dò quang vì chính công suất đầu vào quang tạo ra công suất đầu ra bổ sung bằng với công suất nhiễu đó cho một băng thông xác định.

Năng suất lượng tử và hiệu suất lượng tử có giống nhau không?

Năng suất lượng tử và hiệu suất lượng tử không giống nhau bởi vì xác suất của một photon phát ra sau khi một photon được hấp thụ là năng suất lượng tử trong khi hiệu suất lượng tử là xác suất mà một photon được phát ra sau khi hệ thống được cung cấp năng lượng cho điều kiện phát của nó.

Như vậy, đây là tổng quan về bộ tách sóng quang - làm việc với các ứng dụng. Các thiết bị này dựa trên hiệu ứng quang điện bên trong và bên ngoài, vì vậy chủ yếu được sử dụng để phát hiện ánh sáng. Đây là một câu hỏi cho bạn, những gì là máy dò quang học ?